KR20020044833A - 유기발광소자 생산용 장비의 소자 정렬 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유기발광소자 제조용 장비에 사용될 자동정렬에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유기발광 물질을 투명하면서 전도성이 있는 무기물질(예: ITO 즉, indium tin oxide)이 코팅된 투명한 유리기판과 몇 가지 다른 종류의 유기물질과 금속물질을 증착할 때 사용되는 얇은 쉐도우 마스크(shadow mask)와의 정렬하는 장치 및 공정에 관한 것이다. 유기발광소자의 경우 선명한 해상도를 얻기 위해 쉐도우 마스크를 사용하여 유기물질과 금속물질을 패터닝(patterning) 한다. 패터닝의 정확도에 따라 유기발광소자의 해상도가 결정되므로 이는 매우 중요한 과정이다. 본 발명은 유기발광 소자가 높은 해상도를 가질 수 있도록 두 개의 CCD(205) 카메라와 십자 마크(mark)법에 의해 x-y-z-θ방향으로 컴퓨터에 입력된 프로그램이 의해 움직이는 마이크로 스테이지(micro stage)를 사용하여 쉐도우 마스크와 ITO 유리기판과의 정렬이 정확하게 이루어지도록 하며 정렬된 쉐도우 마스크와 ITO 유리기판은 특별히 고안된 자동이송장치에 의해 외부의 산소와 수분과의 접촉이 없이 모든 공정이 이루어져 자동화를 이루게 된다. 본 발명은 고해상도와 고성능의 유기발광 소자의 제작 공정 및 장치에 관한 것으로 본 발명의 활용을 통하여 다양한 유기발광소자의 대량생산이 가능하다.
Description
본 발명은 유기발광소자 제조용 장비에 사용될 자동정렬에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유기발광 물질을 투명하면서 전도성이 있는 무기물질(예: ITO 즉, indium tin oxide)이 코팅된 투명한 유리기판과 몇 가지 다른 종류의 유기물질과 금속물질을 증착할 때 사용되는 얇은 쉐도우 마스크(shadow mask)와의 정렬과 정렬된 소자를 자동으로 이송하는 장치 및 공정에 관한 것이다.
통상, 유기발광 소자를 제작함에 있어 쉐도우 마스크와 ITO 유리기판을 정렬할 때는 유기물질 증착용 챔버와 금속배선 증착용 챔버 각각에 정렬할 수 있는 장치들이 챔버 상부에 장착되어있다. 유기물질 등 박막을 증착하여 소자구조를 형성하는 경우 원하는 박막재료의 전기적, 물리 화학적 특성을 얻기 위해서는 증착도중 박막에 불순물 함유량을 최소화해야 하며 따라서 고진공을 필요로 하게된다. 그러나 챔버내에 이러한 장치들이 장착되면 유기물질 증착 중 정렬장치에서 out-gassing 현상이 일어나 진공도를 떨어뜨리는 단점이 있다. 그리고 쉐도우 마스크와 ITO유리기판이 한 장 단위로 챔버내에서 정렬이 되기 때문에 작업시간이 오래 걸려 생산성이 떨어지는 단점이 있다. 일반적으로 유기발광 소자를 제작하기 위해서는 ITO 기판 전처리용 챔버, 유기물질 및 금속배선 증착용 챔버 등 적게는 2개에서 많게는 5개까지 구성이 되며 정렬장치는 고해상(high resolution) 광학시스템과 초정밀 스테이지가 필요한데 각각의 챔버별로 이러한 정렬장치를 장착하면 2개에서5개의 정렬장치를 각각 콘트롤 해야하는 단점이 있다. 그리하여 단 1개의 정렬 장치만이라도 고장이 나거나 취급상의 부주의가 발생하면 처음부터 전 공정을 다시 시작해야 하는 어려움이 있다.
본 발명은 전술한 바와 같은 기존 장치의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 쉐도우 마스크와 ITO 유리기판을 각각의 공정챔버 내부가 아닌 정렬과정 중에 수분과 산소의 접촉을 막아 줄 수 있는 글러브 박스(glove box)내에서 고해상 광학시스템과 컴퓨터에 의해 프로그램 된 초정밀 스테이지를 이용하여 정렬한 후 여러 장의 정렬된 기판들을 이송용 카세트(cassette)에 담아 챔버내로 이송함으로서 단 한 개의 정렬장치로서 연속적인 공정이 가능하게 하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 유기발광소자 제작용 장치 중 ITO 유리기판과 쉐도우 마스크와의 정렬장치의 전체적 도면
도 2는 ITO 유리기판과 쉐도우 마스크의 정렬방식을 나타내는 도면
도 3은 십자모양 정렬방식을 나타내는 도면
도 4는 ITO 유리기판과 쉐도우 마스크를 고정하는 고정대를 나타내는 도면
도 5는 ITO 유리기판과 쉐도우 마스크를 정렬하는 CCD 카메라와 마이크로 스테이지를 나타내는 도면
도 6은 ITO 유리기판과 쉐도우 마스크의 고정, 카세트로의 이송, 챔 버 내부로의 이송의 자동화를 나타내는 도면
<도면의 주요부호 설명>
101 : 자동정렬장치 102 : 글러브박스 104 : 로드락 107 : 카세트
109 : 이송장치 110 : 챔버 201 : ITO 유리기판
202 : 쉐도우 마스크 203, 204 : 십자모양 표시 홈 205 : CCD 카메라
301,302 : 화면에 나타난 십자모양 표시 홈 401 : 쉐도우 마스크 고정대
403 : 진공척 405 : 기판고정대 406 : 고정핀
502 : 진공척 504 : CCD 카메라 506 : 기판 고정대
507 : 기판 고정대척 508 : 초정밀 스테이지 602, 603, 604, 607 : 카세트
605 : 정렬용 이송장치 606 : 이송로봇 609 : 자동정렬장치
610 : 글러브 박스 613, 616 : 게이트 밸브 614 : 진공용 이송장치
615 : 진공용 이송장치 챔버 617 : 금속물질 증착용 챔버
618 : 유기물질 증착용 챔버 619 : 직선이송장치
622 : 유기물질 카세트 모듈 623 : 금속배선 카세트 모듈
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 내용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 1은 전술한 자동정렬장치의 전체적인 구조를 보여주고 있다. 앞서 설명한 듯이 유기발광소자는 산소와 수분에 민감하기 때문에 로드 락(load lock)을 포함한 챔버부를 제외하고는 모두 글러브 박스(102) 내에서 공정들이 이루어지게 되며 자동정렬장치(101) 역시 산소와 수분을 완전히 차단한 글러브박스(102) 내에 설치한다. 쉐도우 마스크와 ITO유리기판(103)은 정렬 후 로드락(104)으로 이송이 되는데 가장 짧은 이송경로를 보이기 위해 정렬 장치를 로드락에 가까운 곳에 설치한다. 로드락은 두 종류의 챔버로 구성이 되는데 이는 유기물질 카세트 모듈(622)와 금속배선 카세트 모듈(623)으로 이루러진 카세트 모듈과 진공용 이송장치 챔버(615)이다. 또한 기판들의 이송과정 중에 글러브 박스와 로드락 사이에 각각의 공정조건들을 유지하기 위하여 진공 씰링처리(105)와 게이트 밸브를 설치한다(106). 그리고 생산성을 향상시키기 위하여 한 장 단위가 아닌 여러 장 단위의 기판들이 챔버로 이송이 되는데 이를 위한 위 아래 및 회전운동을 하는 카세트 홀더(108)와 카세트(107)는 글러브 박스 안에 설치된다. 각각의 기판을 카세트에서 정렬장치로의 이동, 정렬이 끝난 후 정렬 장치에서 카세트로의 이동은 여러 방향으로 이송이 가능한 정렬용 이송장치(109)를 통하여 행하게 된다. 정렬용 이송장치는 2개의 로봇 팔(112, 113)로 구성된다. 이는 하나의 로봇팔(112)이 작업을 하고 있을 경우 전체적인 공정이 멈추는 현상을 방지하기 위해 또 다른 로봇팔(113)를 장착하여 작업의 멈춤 없이 정렬과 이송이 수행되도록 함이다. 전 공정의 자동화를 이루기 위한 내용은 도 6에 나타내었다. 카세트에 모든 기판들을 다 채우게 되면 로드락(104)으로 이동되어 각각의 챔버(110)로 이송이 된다. 각각의 챔버와 로드락 사이에도 진공도 유지를 위해 게이트밸브(111)가 장착된다.
자동정렬 방식은 도 2에 나타내었다. 고해상도를 가지기 위해서는 전술한 바와 같이 미세한 패턴이 뚫린 쉐도우 마스크를 수직 방향으로 패턴이 형성된 ITO 기판에 겹침으로서 그 미세한 뚫린 틈으로 각종 물질들이 증착이 되어 격자 모양의 패턴을 형성하게 되는 것이다. 일반적으로 쉐도우 마스크는 재질이 스테인레스 스틸(stainless steel)과 같은 금속류를 사용한다. 이때 패턴이 형성된 ITO 유리기판(201)과 쉐도우 마스크(202)는 각각 두 개의 십자모양(203), (204)의 홈을 가진다. 이러한 십자 모양의 홈을 서로 겹치게 한 후 두 개의 CCD 카메라(205)로그 형상을 모니터링하게 되는 데 일반적으로 정렬을 할 때는 2개 이상의 십자모양이 필요하게 되므로 본 장치에서도 십자모양의 홈과 CCD를 두 개로 선택하였다. 모니터에 의해 나타난 형상에 근거하여 ITO유리기판은 x-y-z-θ 방향으로 마이크로 스테이지에 의해 움직이게 되어 정확한 정렬을 이루게 된다.
도 3에는 모니터에 나타난 형상 및 정렬방식을 나타내었다. 쉐도우 마스크는 고정이 되며 ITO유리기판이 움직여 정렬을 이루는데 ITO 유리기판이 움짐임에 따라 ITO 유리기판의 십자모양(301)과 쉐도우 마스크의 십자모양의 홈(302)은 서로 겹치게 되며 이를 위해 마이크로 스테이지를 x-y-θ방향으로 이동하여 정확한 정렬을 이루고 최종적으로 z방향으로 이동함으로서 ITO 유리기판과 쉐도우 마스크가 밀착 고정된다.
도 4에는 정렬이 이루어 진 후 ITO 유리기판과 쉐도우 마스크를 밀착, 고정시키는 고정대를 나타내었다. 쉐도우 마스크 고정대(401)위에 쉐도우 마스크(402)가 고정되며 진공 척(vacuum chuck)(403)에 의해 고정된 ITO 유리기판(404)은 전술한 방법에 의해 정렬된다. 정렬된 ITO 유리기판과 쉐도우 마스크는 기판 고정대(405)와 4개의 고정핀(406)에 의해 밀착, 고정되며 최종적으로 카세트로 이송된다. 기판 고정대는 위에서 보면 핀의 위치를 나타내는 (407)과 진공척이 통과할 수 있는 구멍(408)과 기판 고정대를 이동, 밀착하는데 사용되는 기판 고정대척이 통과할 수 있는 (409)의 구멍을 가진 형상을 나타내게 된다.
도 5에는 ITO 유리기판과 쉐도우 마스크를 고정, 정렬, 밀착하며 CCD 카메라와 마이크로 스테이지를 포함하는 정렬장치의 정면도와 측면도를 나타내었다. 쉐도우 마스크 고정대에 고정된 쉐도우 마스크(501)와 진공 척(502)에 의해 고정된 ITO 유리기판(503)은 CCD 광학 카메라(504)에 의해 그 형상이 모니터에 나타나며 마이크로 스테이지(508)에 의해 x-y-z-θ 방향으로 이동되며 정렬, 고정된다. 기판과 마스크를 고정하기 위한 기판 고정대(506)는 정렬용 로봇(109)에 의하여 전달되어 기판 고정대척(507) 밑에 위치하며 기판 고정대척(507)이 아래로 내려와 진공, 흡착한 후 로봇의 엔드 이펙터(End Effector ; 621)가 빠져나간다. 기판 고정대(506)가 흡착된 기판 고정대척(507)이 내려와 기판과 쉐도우 마스크를 눌러주게 되며 고정핀(406)에 의해 밀착 고정되어 최종적으로 카세트(107)로 이송된다. 이러한 일련의 과정들은 자동화를 위해 정렬장치 상부에 진공 척(502)과 기판 고정대척(507)은 기계적 상하운동을 할 수 있는 모터가 장착된 운동기구(505)에 장착한다.
도 6에는 ITO 유리기판과 쉐도우 마스크의 정렬과 카세트로의 이동, 챔버내로의 이동의 모든 과정의 자동화 공정에 대해 나타내었다. 전술한 바와 같이 자동정렬 장치(609) 및 카세트(602, 603, 604, 607)와 수직운동과 자전운동이 가능한 카세트 홀더(108) 및 정렬용 이송장치(605)는 글러브 박스(610)안에 위치하게 된다. 일반적으로 유기발광 소자를 제작하기 위해서는 정렬해야 되는 쉐도우 마스크가 유기물질 증착용과 금속배선 증착용, 2개가 요구된다. 자동화 공정을 순차적으로 나타내면 다음과 같다.
1. 필요한 이송 및 정렬작업을 용이하게 하기 위하여 쉐도우 마스크 고정대(401)에 쉐도우 마스크(402)를 고정시키고 그 위에 ITO 유리기판(404)을 놓는다. 이렇게 작업된 다수의 적층물들을 유기물질 증착용 카세트(603)의슬롯(slot)에 차례차례 장입을 한 후 주입구(611)를 통하여 유기물질 증착용 카세트(603)를 글러브 박스(610)내로 도입된 후 카세트 홀더(108)의 회전운동으로 로봇이 처리 할 수 있는 방향을 향하게 된다.
2. 쉐도우 마스크 고정대(401)에 고정된 금속배선 증착용 쉐도우 마스크가 담긴 카세트(602)가 글러브 박스(610)내로 도입됨.
3. 기판고정대(405)가 담긴 카세트(607)가 주입구(612)를 통하여 글러브 박스(610) 내부로 도입됨.
4. ITO 유리기판과 쉐도우 마스크를 고정하기 위하여 기판 고정대 카세트(607)에 담긴 기판 고정대(405)를 정렬용 이송로봇장치(605)에 의해 자동정렬 장치(609)로 이송 된 후 기판 고정대 척에 진공 흡착되어 고정됨.
5. 유기물질 증착용 카세트(603)로부터 쉐도우 마스크 고정대(401)에 위치한 유기물질 증착용 쉐도우 마스크와 ITO 유리기판를 정렬용 이송로봇 장치(605)에 의하여 자동정렬장치(609)로 이동함.
6. 진공척(502)을 사용하여 ITO 유리기판을 진공흡착 한 후 자동 정렬장치(609)에서 CCD 카메라(504)와 컴퓨터 프로그램에 의해 움직이는 초정밀 스테이지(508)에 의해 자동정렬 공정을 수행함. 정렬 후 기판 고정대가 아래로 내려오며 ITO 유리기판과 쉐도우 마스크를 밀착 후 고정핀(406)에 의하여 고정됨.
7. 기판고정대(405)에 정렬되어 고정된 ITO 유리기판과 유기물질용 쉐도우 마스크가 카세트(603)으로 이송되어 원래의 슬롯에 배치됨.
8. 4 - 7의 일련의 과정을 반복하여 ITO 유리기판과 유기물질 증착용 쉐도우마스크가 카세트(603)에 다 차게 되면 카세트(603)가 유기물질 카세트 모듈(622)을 향하도록 회전 한 후 카세트 채로 직선이송 장치(619)에 의해 유기물질 카세트 모듈(622)으로 이동된다. 유기물질 카세트 모듈(622)에는 진공도 유지 및 카세트의 출입을 위한 게이트 밸브(613)가 장착된다. 진공용 이송장치 챔버(615)에 위치한 진공용 이송장치(614)가 유기물질 카세트 모듈(622)에 도입된 유기물질 증착용 카세트(603)의 슬롯에 위치한 기판고정대에 의해 고정된 ITO 유리기판과 쉐도우 마스크를 유기물질 증착용 챔버(617)로 이송한다. 그 후 유기물질 증착용 챔버(617)에서 유기물질의 증착이 수행된다. 유기물질 증착이 완료되면 ITO 유리기판과 쉐도우마스크를 유기물질 증착용 카세트(603)의 원래 슬롯 위치에 배치시킨 후 다음 슬롯에 위치한 ITO 유리기판과 쉐도우 마스크를 동일한 과정과 방법에 의하여 유기물질 증착공정을 수행한다.
9. 유기물질 증착용 카세트(603)의 모든기판에 대하여 유기물질 증착이 완료되면 유기물질 증착용 카세트(603)가 유기물질 카세트 모듈(622)에서 직선이송 장치(619)에 의해 글러브 박스(610)내의 원래의 카세트 홀더(108)위치로 이동된 후 자동 정렬장치(609)를 향하도록 회전함.
10. 유기물질 증착이 끝난 기판 고정대에 고정된 ITO 유리기판과 유기물질 증착용 쉐도우 마스크를 정렬 장치로 이송함.
11. 기판 고정대를 기판고정대 용 진공척(507)에 의하여 탈착함.
12. ITO 유리기판을 기판용 진공척(502)에 의하여 진공 흡착한 후 쉐도우 마스크 고정대(401)에 고정된 유기물질 증착용 쉐도우 마스크(402)에서 분리되도록진공척(502)이 상부로 이동한다.
13. 기판 고정대가 탈착된 유기물질 증착용 쉐도우 마스크를 카세트(603)으로 이송함.
14. 금속물질 증착용 카세트(602)에 장입되어 있는 쉐도우 마스크 고정대(401)에 고정된 금속물질 증착용 쉐도우 마스크(402)를 정렬용 이송로봇장치(605)에 의해 자동정렬장치(609)로 이동한 후 6의 방법에 의해 정렬 후 고정함.
15. 정렬, 고정된 ITO 유리기판과 금속물질 증착용 쉐도우 마스크가 금속물질 증착용 카세트(602)로 이송되어 슬롯에 차례대로 장입됨.
16. 10-15의 일련의 과정을 반복하여 금속물질 증착용 카세트(602)에 기판 고정대(405)에 고정된 ITO 유리기판과 금속물질 증착용 쉐도우 마스크가 다 차게 되면 카세트(602)가 금속배선 카세트 모듈(623)을 향하도록 회전한 후 카세트 채로 직선이송 장치(619)에 의해 금속배선 카세트 모듈(623)로 이동된다.
17. 진공용 이송장치 챔버(615)의 중앙에 위치한 진공용 이송장치(614)가 금속배선 카세트 모듈(623)로 도입된 금속물질 증착용 카세트(602)의 슬롯에 위치한 기판고정대에 의해 고정된 ITO 유리기판과 쉐도우 마스크를 금속물질 증착용 챔버(618)로 이송한다. 그 후 금속물질 증착용 챔버(618)에서 금속물질의 증착이 수행된다. 한 기판이 끝난 후에는 차례차례 동일한 과정을 거쳐 카세트(602) 전체 슬롯에 있는 기판에 대하여 금속배선 공정을 수행한다.
18. 금속배선 증착이 완료되면 금속물질 증착용 카세트(602)가 진공용 이송장치 챔버(615)에서 직선이송 장치(619)에 의해 카세트 홀더(108)로 이동된 후 자동 정렬장치(609)를 향하도록 회전함.
19. 그 후 정렬 과정의 역순서의 과정을 통하여 ITO 유리기판과 쉐도우마스크의 탈착 과정을 이행한 후 배출구(620)를 통하여 글러브 박스의 외부로 배출됨.
본 발명은 ITO 유리기판과 유기물질, 금속물질 각각의 쉐도우 마스크의 자동정렬 뿐만 아니라 생산성 향상에 기여 할 수 있는 공정을 포함한다. 즉, 각각의 공정에 걸리는 시간을 고려한 설계를 통하여 효율적인 자동화를 이룰 수 있다. 그 내용을 설명하면, 일반적으로 유기물질을 증착하는 데 걸리는 시간이 다른 모든 공정에 걸리는 시간에 비해 상대적으로 길다. 따라서 유기물질을 증착하는 챔버의 개수가 다른 공정의 개수와 동일하게 되면 유기물질을 증착하는 동안 다른 모든 공정은 정지하고 있는 상태가 되며 이는 생산성 저하의 원인이 된다. 본 발명은 이러한 생산성 저하의 원인을 제거하기 위하여 상대적으로 긴 시간을 요구하는 유기물질 증착과정의 시간을 단축하기 위하여 유기물질 증착용 챔버(617)를 3개, 금속물질 증착용 챔버(618)를 1개로 구성하였다. 또한 증착과정 중에 진공도 유지를 위하여 각각의 챔버와 유기물질 카세트 모듈(622), 금속배선 카세트 모듈(623) 및 진공용 이송장치 챔버(615)사이에는 게이트밸브(616)을 장착하였다. 유기물질 증착용 챔버 3개와 금속물질 증착용 챔버를 1개로 설정한 것은 하나의 예시일 뿐이며 다양한 실험을 통하여 정확한 공정당 걸리는 시간의 산출에 의해 챔버의 개수는 유동적으로 변할 수 있으며 그 경우 로드락의 형태가 6각형에서 추가로 필요한 증착챔버만큼 다각형으로의 전환만 이루어지면 가능해 진다.
본 발명에서 고안된 ITO 유리기판과 쉐도우마스크의 정렬장치를 이용하여 고 해상도를 가지는 유기발광소자를 빠른 시간 내에 대량 생산에 응용하여 소자생산의 최적화에 기여할 수 있다.
Claims (2)
- 유기발광소자를 제작함에 있어서,글러브 박스(102)내에서 단 한 개의 자동정렬장치(101)에 의해 ITO 유리기판과 쉐도우마스크(103)을 정렬하는 장치로서 각각의 ITO 유리기판과 쉐도우 마스크는 자동정렬용 이송장치(109)에 의해 이송되고 두 개의 십자모양 홈(203, 204)의 겹침을 두 개의 CCD 카메라(205)가 감지함으로서 정렬이 수행되는 기판고정대(506)와 ITO 유리기판(503)을 밀착 고정하며 x-y-z-θ 방향으로 움직이는 마이크로 스테이지(508)를 포함하는 자동정렬 장치를 이용하여 정렬을 수행하는 방식.
- 유기발광소자를 제작함에 있어,도 6에 근거한 소자제작의 자동화 공정으로 유기물질, 금속배선용 카세트에 대한 카세트 모듈(622, 623), 진공용 이송장치(614), 진공용 이송장치 챔버(615), 증착챔버(617, 618)로 구성된 진공부와 유기물질, 금속배선의 각각에 대한 카세트(602, 603), 정렬용 이송장치(605), 자동정렬장치(609), 카세트 홀더(108) 및 직선이동장치(619)로 구성된 정렬부로 구성되어 수행되는 일련의 자동화 공정.
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