[논문]유기반도체 박막증착을 위한 선형증착원의 유체유동해석

곽인철; 양영수; 최범호; 김영미

[국내논문] 유기반도체 박막증착을 위한 선형증착원의 유체유동해석
Analysis of Fluid Flow in the Linear Cell Source for Organic Semiconductor Thin Film Deposition 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.26 no.10 = no.223, 2009년, pp.74 - 80

곽인철 (전남대학교 기계공학과) , 양영수 (전남대학교 기계공학과) , 최범호 (생산기술연구원 호남기술지원본부 나노기술집적센터) , 김영미 (생산기술연구원 호남기술지원본부 나노기술집적센터)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a study on fluid flow analysis of organic semiconductor thin film deposition process using the computational numerical method. In the production process, the thickness of deposited organic thin film depends on distribution of nozzle size in the linear cell system, so we analyze to decide the optimal nozzle system for uniform thickness of organic thin film. The results of deposited thickness of thin film by numerical analysis are in good agreement with those of the experimental measurements.

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문제 정의

그러므로 본 연구에서는 선형증착원을 사용한 유기반도체 증착기 개발을 위하여 증착기 내부의 유체유동을 수치적인 방법으로 해석하였다. 해석 결과인 속도분포 데이터를 이용하여, 균일한 증착 두께를 얻기 위한 노즐설계에 사용하였다.
개발이 필수적이다. 본 연구에서는 선형 증착 원을 사용한 반도체 장비 개발에서 균일두께의 증착을 위한 최적 노즐직경 분포를 수치 해석적 방법에 의하여 계산하였다. 균일한 유기 박막을 얻기 위해서는 노즐의 크기가 중앙에서 가장자리로 갈수록 점점 커져야 함을 계산으로 확인하였고, 계산 결과는 실제 실험 결과와 일치함을 알 수 있었다.

가설 설정

연속방정식, Navier-Stokes equation 은 속도가 10-3 이하 에너지 방정식은 온도가 I* 이하의 오차까지 반복 계산한다. 증착공정은 시작 후 1 분 이내에 정상적인 증착이 진행되기 때문에 초기 상태에서부터 시간변화에 따른 천이과정은 해석하지 않고, 정상상태 (steady state)로 가정하고 해석하였다.
사용하였다. 용기내부에 사용되는 유체는 상태방정식을 만족하는 이상기체로 가정하였다. 밀도는 p=P/RT 을 이용하여 온도계산 후 S/W 내에서 자체적으로 계산한다.
그러나 실제공정에서는 유기물이 유리판을 만나면 모두 유리판에 증착되기 때문에 유체유동에서 유리판은 sink 역할을 하게 된다. 그러므로 본 연구에서는 유리판을 해석영역에서 제외시킨 다음, 유리판의 위치에서 수직방향으로 통과한 유기물은 모두 증착되었다고 가정하였다. 즉, 유리판이 제거된 상태에서 유기물의 속도를 계산하고, 이를 이용하여 증착두께를 산출하였다.

제안 방법

해석 결과인 속도분포 데이터를 이용하여, 균일한 증착 두께를 얻기 위한 노즐설계에 사용하였다.
여러 개의 노즐에서 분사된 유기물이 균일두께로 유리판에 증착하기 위해서는 용기 내에서 적절한 유동이 필요하다. 용기 내의 유동을 제어하여 균일두께를 얻기 위하여 분사 노즐 각각의 직경 치수를 변화시키면서 수치해석을 수행하여 최적의 노즐형상을 구하였다.
사용하였다. 해석 시 튜브관 내부의 유체부터 유동이 시작되며, 작은 오차라도 round off error 에 의해 해석 결과에 큰 영향을 미치게 되므로 작은(fine)요소를 작게 분할하였다. 또한 노즐 주변에서 요소크기를 작게 분할하면 해석의 정확도를 높일 수 있다.
그러므로 본 연구에서는 유리판을 해석영역에서 제외시킨 다음, 유리판의 위치에서 수직방향으로 통과한 유기물은 모두 증착되었다고 가정하였다. 즉, 유리판이 제거된 상태에서 유기물의 속도를 계산하고, 이를 이용하여 증착두께를 산출하였다.
초기 장치설계에서 선형증착원의 노즐을 20 개로 하고, 증착효율 및 증발기를 고려하여 각각의 노즐 직경을 5mm 로 일정하게 하였으며, 증발기에서 노즐로 유기물이 이동되는 관(tube)의 직경을 초기 l/2inch 및 linch 로 계산하였다. 관의 직 경 변화 후 수행된 계산결과는 linch 일때 증착률이 양호함을 나타내어 관의 직경을 linch 로 결정하였다.
유리판의 중앙부위와 끝단에서 적층두께를 균일하게 하기 위하여 노즐의 직경을 변화시키면서 해석을 반복 수행하였다. 여러 가지 경우의 해석 결과 가장 균일하게 적층할 수 있는 노즐 직경의 분포를 얻을 수 있었으나, 노즐제작공정을 고려하여 소수점 2 번째(mm 단위)에서 반올림을 하여 최적의 노즐 직경 시스템을 결정하였다.
반복 수행하였다. 여러 가지 경우의 해석 결과 가장 균일하게 적층할 수 있는 노즐 직경의 분포를 얻을 수 있었으나, 노즐제작공정을 고려하여 소수점 2 번째(mm 단위)에서 반올림을 하여 최적의 노즐 직경 시스템을 결정하였다. 표 3 에 결정된 최적 노즐직경이 나타나 있으며, 양 쪽이 대칭 이므로 한쪽부분 노즐 10 개에 대해서만 표시하였다.
1.44|ig/s 질량유량으로 90 분 및 4.35ng/s 질량 유량으로 3 분 증착 후 두께를 측정하여 이론 해석과 비교하였다. 해석결과를 이용한 증착두께는 다음 식과 같이 계산한다.
이론 해석에 의한 노즐의 직경을 이용하여 시제품을 제작하였으며, 실제 실험에 사용된 시편과 공정은 다음과 같다. 증착률 및 시간은 이론해석과 동일하게 하였으며 개략적인 시편의 형상은 Fig.

대상 데이터

요소형상은 6 면체를 주로 사용하였으며, 필요에 따라 5 면체 또는 4 면체 요소도 사용하였다. 해석 시 튜브관 내부의 유체부터 유동이 시작되며, 작은 오차라도 round off error 에 의해 해석 결과에 큰 영향을 미치게 되므로 작은(fine)요소를 작게 분할하였다.
하지만 해석 컴퓨터의 성능에 따라 요소 개수의 한계가 있다. 본 연구에서 요소 분할은 컴퓨터의 메모리 최대 한계치로 분할하여 총 요소 수는 1, 175, 180 개 이 다.
해석과 실험에 사용된 유기반도체는 Pentacene 재료를 사용하였다. 용기내부에 사용되는 유체는 상태방정식을 만족하는 이상기체로 가정하였다.

이론/모형

수치해석은 FVM(Finite volume Method) 방법으로 Fig. 4 의 순서도와 같이 계산이 진행된다. 해석영역의 재료 및 유체의 물성치를 입력하고 Navier- Stokes Equation 과 연속방정식을 이용하여 u(x 방향 속도), v(y 방향속도), w(z 방향속도)를 계산 후에 에너지 방정식을 이용하여 온도를 계산한다.
4 의 순서도와 같이 계산이 진행된다. 해석영역의 재료 및 유체의 물성치를 입력하고 Navier- Stokes Equation 과 연속방정식을 이용하여 u(x 방향 속도), v(y 방향속도), w(z 방향속도)를 계산 후에 에너지 방정식을 이용하여 온도를 계산한다.6 계산된 물성치를 계산 전과 비교하여 수렴할 때까지 반복하여 계산한다.
직교좌표계에서 유체유동의 지배방정식인 Navier-Stokes Equation 과 연속방정식을 이용하여 속도와 압력을 계산한다. 비압축성 유체 유동 시각각의 수식은 (1), (2)로 나타낼수 있으며, 각각 비압축성 Navier-stokes Equation 과 연속방정식 이 다.

성능/효과

열전도 해석을 위한 지배방정식은 전도방정식, 대류방정식, 복사방정식이 있으며, 본 연구에서는 계산 결과 복사열이 미미하게 나타나 복사열은 무시하였다. 지배방정식은 (3), (4)로 나타낼 수 있으며, 각각 Conduction Equation 과 Convection Equation 이다.
본 연구에서는 선형 증착 원을 사용한 반도체 장비 개발에서 균일두께의 증착을 위한 최적 노즐직경 분포를 수치 해석적 방법에 의하여 계산하였다. 균일한 유기 박막을 얻기 위해서는 노즐의 크기가 중앙에서 가장자리로 갈수록 점점 커져야 함을 계산으로 확인하였고, 계산 결과는 실제 실험 결과와 일치함을 알 수 있었다. 또한 증착된 유기박막의 균일도는 박막 형성의 일반적인 오차인 ±5% 이내로서 계산 결과가 실제 장비에 적용 가능함을 확인하였다.
균일한 유기 박막을 얻기 위해서는 노즐의 크기가 중앙에서 가장자리로 갈수록 점점 커져야 함을 계산으로 확인하였고, 계산 결과는 실제 실험 결과와 일치함을 알 수 있었다. 또한 증착된 유기박막의 균일도는 박막 형성의 일반적인 오차인 ±5% 이내로서 계산 결과가 실제 장비에 적용 가능함을 확인하였다.

참고문헌 (10)

Sirringhaus, H., Kawase, T., Friend, R. H., Shimoda, T., Inbasekaran, M., Wu, W. and Woo, E. P., "High-Resolution Inkjet Printing of All-Polymer Transistor Circuits," Science, Vol. 290, No. 5499, pp. 2123-2126, 2000

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Kim, Y. H., Park, S. K., Han, J. I., Moon, D. G. and Kim, W. K., "Solution-based Polymer TFT LCD on Plastic Substrates," SID Symposium Digest of Technical Papers, Vol. 34, No. 1, pp. 996-999, 2003

상세보기
Lin, Y.-Y., Gundlach, D. J., Nelson, S. F. and Jackson, T. N., "Stacked pentacene layer organic thin-film transistors with improved characteristics," IEEE Electron Device Letters, Vol. 18, No. 12, pp. 606-608, 1997

상세보기
Yan, H., Kagata, T. and Okuzaki, H., "Ambipolar pentacene/C60-based field-effect transistors with high hole and electron mobilities in ambient atmosphere," Appl. Phys. Lett., Vol. 94, No. 2, Paper No. 023305, 2009

상세보기
Bao, Z. and Locklin, J., "Organic Field-Effect Transistors," CRC Press, pp. 489-594, 2007
Versteeg, H. K. and Malalasekerra, W., "An introduction to computational fluid dynamics," Longman Group Ltd., pp. 142-146, 1995
An, I. S., "Vacuum physics and technology," Hanyang University Press, pp. 35-51, 2003
Cengel, Y. A. and Cimbala, J. M., "Fluid Mechanics," McGraw Hill, pp. 426-431, 2006
Incropera, F. P. and Dewitt, D. P., "Introduction to heat transfer 3rd edition," John Wiley & Sons, pp. 50-59, 1998
Cengel, Y. A. and Boles, M. A., "Thermodynamics 4th edition," McGraw Hill, p. 821, 2002

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