열증착 공정에서 노즐 형상에 따른 방사특성 모델

국문 초록 (Abstract)

반도체, OLED 제조과정에서 주로 사용되는 열증착(Thermal Evaporation) 방식의 소스는 특정한 용기에 들어 있는 물질을 가열하여 기화 혹은 승화시켜 원통형 노즐을 통해 기판에 분사 시킨다. 이때 노즐을 통해서 방출되는 분자의 방사특성(Angular Distribution)에 따라 기판에 증착되는 물질의 두께가 달라진다.
누센(Knudsen)의 코사인 법칙(Cosine Law)에 따르면 얇은 오리피스 형태의 노즐에서 방출되는 분자는 코사인 함수의 형태를 보이고, 길이를 갖는 원통형 노즐에서 방출되는 분자는 코사인 지수함수의 형태와 유사하다는 것이 알려져있다.
하지만 실제 노즐에서 방출되는 분자의 방사 특성은 코사인 지수함수의 형태와 정확하게 일치하지 않는다. 이와 관련하여 노즐의 방사 특성을 정확하게 나타내기 위한 방법들이 많이 연구되었다. 대표적으로 방법으로 수치적분법을 이용하여 노즐에 입사되는 분자의 분포와 노즐의 벽면에서 반사되는 분자의 분포 전체를 적분하는 방법이 있다. 또 다른 방법으로는 몬테카를로 방법을 통해 노즐 출구에서 방출되는 분자의 형태를 시뮬레이션하는 방법이 있다. 이러한 기존 방법들은 노즐의 방사특성을 정확하게 모델링하고 있지만, 해석적 해의 형태로 나타낼 수 없기 때문에 노즐의 형상이 변하면 매번 동일한 계산 과정을 필요로 한다.
본 연구에서는 일반적으로 많이 사용되는 노즐의 형태인 원통형 노즐과 원뿔형 노즐에서 특정한 근사화를 통해 노즐의 방사특성을 정확하게 모델링하는 해석적 해(analytical solution)를 구하고 구해진 모델의 방사특성을 실제 증착 실험과 몬테카를로 시뮬레이션 방법의 방사특성 결과와 비교 검증 하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장. 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 방향 3
• 1.3 연구 내용 5
• 제2장. 배경이론 7
• 2.1 노즐의 방사특성 7
• 2.2 노즐의 방사특성에 따른 증착 프로파일 계산 9
• 2.3 수치적분법 11
• 2.3.1 수치적분법의 계산 방법 11
• 2.3.2 노즐의 벽면에 충돌하지 않고 통과하는 분자 13
• 2.3.3 노즐의 벽면에 충돌한 후 출구로 방출되는 분자 16
• 2.4 몬테카를로 시뮬레이션 19
• 2.4.1 몬테카를로 시뮬레이션 방법 19
• 2.4.2 몬테카를로 시뮬레이션을 통한 노즐의 방사특성 계산 20
• 2.4.3 몬테카를로 시뮬레이션 결과 21
• 제3장. 원통형 노즐의 방사특성 24
• 3.1 원통형 노즐의 방사특성 계산 24
• 3.1.1 방사특성 계산을 위한 근사화 24
• 3.1.2 원통형 노즐의 방사특성 계산 방법 27
• 3.1.3 노즐 벽면에 충돌 후 노즐 출구로 방출되는 분자 29
• 3.1.4 노즐 벽면에 충돌 후 노즐 출구로 방출되는 분자 37
• 3.1.5 노즐 입구에서 노즐 출구로 방출되는 분자 40
• 3.1.6 원통형 노즐의 방사특성 42
• 3.2 원통형 노즐의 방사특성 결과 44
• 3.3 몬테카를로 시뮬레이션 결과 47
• 3.3.1 몬테카를로 시뮬레이션 47
• 3.3.2 원통형 노즐(r=1, l=2)의 방사특성 52
• 3.3.3 원통형 노즐(r=1, l=3)의 방사특성 57
• 3.3.4 원통형 노즐(r=1, l=4)의 방사특성 61
• 3.3.5 원통형 노즐(r=1, l=6)의 방사특성 65
• 제4장. 원뿔형 노즐의 방사특성 69
• 4.1 원뿔형 노즐의 방사특성 계산 69
• 4.1.1 원뿔형 노즐의 방사특성 계산 방법 69
• 4.1.2 노즐 입구 전체에서 노즐 출구로 방출되는 분자 72
• 4.1.3 노즐 벽면 전체에서 노즐 출구로 방출되는 분자 73
• 4.1.4 노즐 입구 일부에서 노즐 출구로 방출되는 분자 76
• 4.1.5 노즐 벽면 일부에서 노즐 출구로 방출되는 분자 79
• 4.1.6 노즐 벽면 일부에서 노즐 출구로 방출되는 분자 92
• 4.1.7 원뿔형 노즐의 방사특성 96
• 4.2 원뿔형 노즐의 방사특성 결과 99
• 4.3 몬테카를로 시뮬레이션 결과 102
• 4.3.1 몬테카를로 시뮬레이션 102
• 4.3.2 원통형 노즐(ri=1, ro=2, l=6)의 방사특성 105
• 4.3.3 원통형 노즐(ri=1, ro=4, l=6)의 방사특성 109
• 4.3.4 원통형 노즐(ri=1, ro=6, l=6)의 방사특성 113
• 제5장. 실제 노즐의 방사특성 117
• 5.1 정지 성막 실험 117
• 5.1.1 실험 방법 117
• 5.1.2 실험 조건 121
• 5.1.3 실험 결과 123
• 5.2 몬테카를로 시뮬레이션 127
• 5.2.1 시뮬레이션 방법 127
• 5.2.2 노즐의 방사특성을 구하는 방법 132
• 5.2.3 시뮬레이션 결과 135
• 5.3 방사특성 결과 비교 142
• 5.3.1 정지 성막 실험 결과(CASE 1) 142
• 5.3.2 정지 성막 실험 결과(CASE 2) 148
• 제6장. 노즐의 방사특성 함수를 이용한 균일도 최적화 153
• 6.1 소스 기판 거리 및 옵셋 최적화 153
• 6.1.1 물질 소모에 따른 기판 균일도 변화 153
• 6.1.2 소스 기판 거리 및 옵셋 변화에 따른 균일도 변화 154
• 6.1.3 소스 기판 거리 및 옵셋 최적값 157
• 6.2 소스의 형상 최적화 158
• 6.2.1 소스 형상 변화에 따른 기판 균일도 변화 158
• 6.2.2 소스 형상 변화에 따른 균일도 변화 159
• 6.2.3 소스 형상 최적값 160
• 제7장. 결론 162
• 참고문헌 164
• APPENDIX 167
• A. 노즐 내부 벽면의 형상에 따른 방사특성 변화 167
• A.1 시뮬레이션 설계 167
• A.2 시뮬레이션 결과 168
• A.3 분석 172
• Abstract 174