KR100487428B1 - 플라즈마 장치 - Google Patents

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KR100487428B1
KR100487428B1 KR10-2001-0069728A KR20010069728A KR100487428B1 KR 100487428 B1 KR100487428 B1 KR 100487428B1 KR 20010069728 A KR20010069728 A KR 20010069728A KR 100487428 B1 KR100487428 B1 KR 100487428B1
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Abstract

본 발명은 섀도우 프레임의 틀림을 방지하여 챔버 내의 플라즈마를 고밀도로 유지하기 위한 플라즈마 장치에 관한 것으로서, 특히 플라즈마를 이용한 공정이 수행되는 챔버와, 상기 챔버의 하측에 장착되어 기판이 로딩되는 하부전극과, 상기 기판의 에지면에 밀착되어 플라즈마 누설을 방지하는 섀도우 프레임과, 상기 챔버의 상측에 장착되어 상기 하부전극과 대향하는 상부전극과, 상기 상부전극 또는 하부전극에 선택적으로 연결된 고주파전원이 구비된 플라즈마 장치에 있어서, 상기 섀도우 프레임과 일체형으로 그 배면에 형성된 섀도우 프레임 고정용 얼라인 핀과, 상기 얼라인 핀에 대응하는 위치에서 타원형태로 형성되는 얼라인 핀홀을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

플라즈마 장치{PLASMA APPARATUS}
본 발명은 액정표시소자용 플라즈마 장치에 관한 것으로, 특히 플라즈마의 고밀도를 유지하기 위한 플라즈마 장치에 관한 것이다.
영상표시소자로서 최근 각광받고 있는 액정표시소자는 콘트라스트(contrast) 비가 크고, 계조 표시나 동화상 표시에 적합하며 전력소비가 작다는 장점 때문에 활발한 연구가 이루어지고 있다.
상기 액정표시소자는 대향하는 두 기판과 그 사이에 형성된 액정층으로 이루어져, 기판에 형성된 전극에 전압을 인가하여 액정층의 액정 분자들을 재배열시킴으로써 투과되는 빛의 양을 조절하여 화상을 표시하는 영상표시소자이다.
액정표시소자의 기판 내측면에는 소자를 구동하기 위한 다양한 패턴(Pattern)들이 구비되어 있는데, 상기 패턴들은 패턴용 물질을 증착하고 사진식각기술을 이용하여 패터닝함에 의해 형성된다.
이 때, 복수의 패턴들을 형성하기 위한 증착공정 및 식각공정이 구비되어야 하는데, 최근 액정표시소자의 표시품질 향상화, 고집적화, 대면적화, 저온화 추세에 따라 플라즈마를 이용한 기술이 많이 이용되고 있다.
플라즈마를 이용한 기술은 가스를 가스공급수단(Gas Distribution Plate)을 통해서 고진공 상태의 챔버 내부로 분사한 후 가스를 플라즈마 상태로 변형하여 LCD 기판 상면에 패턴용 물질을 증착하거나 또는 증착된 패턴용 물질을 원하는 패턴대로 식각하는 것이다.
한편, 플라즈마를 발생시키는 방법은 다양한데, 그 방법에 따라 PE(Plasma Etching), RIE(Reactive Ion Etching), MERIE(Magneticaly Enhanced Reactive Ion Etching), ECR(Electron Cyclotron Resonance), TCP(Transformer Coupled Plasma) 등의 모드로 나눌 수 있으며, 이 중 액정표시소자 제조공정에서는 PE, RIE 모드를 주로 이용한다.
특히, 플라즈마를 발생시키는 방법 중 가장 널리 사용되는 모드인 RIE 모드는 두 전극 중 상부전극은 접지시키고, 하부전극에는 주기적으로 변화하는 교류 전장(일반적으로 RF)을 인가하여 이온 및 전자쌍을 발생시켜 플라즈마를 생성하는 것으로서 플라즈마 상태에서의 전자 이온 밀도가 높아 식각률이 우수하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 증착공정 또는 식각공정에 사용되는 플라즈마 장치를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래 기술에 의한 플라즈마 장치의 구성도이고, 도 2a 및 도 2b는 종래 기술에 의한 플라즈마 장치의 평면도이다.
그리고, 도 3a 내지 도 3c는 종래 기술에 의한 플라즈마 장치의 동작 과정을 나타낸 단면도이고, 도 4a 및 도 4b는 종래 플라즈마 장치의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
종래의 플라즈마 장치는 도 1에서와 같이, 플라즈마를 이용한 건식식각공정이 수행되는 챔버(10)와, 상기 챔버(10)의 상측에 구비되어 챔버(10) 내부로 가스를 공급하는 가스공급부(G/I)(11)와, 상기 챔버(10)의 하측에 구비되어 펌핑작업을 수행하여 챔버 내의 압력을 조절함과 동시에 식각공정 후의 처리가스를 배출하는 가스배출부(G/O)(12)로 구성된다.
그리고, 상기 챔버(10) 내의 상측 내부에는 상기 가스공급부(11)와 연결되어 다수의 분사공을 가지는 가스분사판(17a, 17b)을 구비하여 가스를 공급하는 가스공급수단(17)과, 상기 가스공급수단(17)으로부터 가스를 공급받아 챔버(10) 내부로 전달함과 동시에 애노드전극(anode electrode) 역할을 겸용하는 상부전극(21)이 설치되어 있다.
또한, 상기 챔버(10)의 하측 내부에는 LCD 기판(20)이 배치되는 캐소드 전극(cathode electrode)인 하부전극(22)이 설치되어 있고, 상기 하부전극(22)은 고주파 전원(19)에 접속된다.
이 때, 상기 상부전극(21)과 하부전극(22)은 소정 간격 이격되어 대향배치되고, 상기 상부전극(21) 및 하부전극(22)에 연결된 고주파전원(19)은 동일 접지된다.
특히, 상기 하부전극(22) 상부에는 LCD 기판(20) 상에 증착막을 형성할 때, 일종의 마스크 역할을 수행하는 섀도우 프레임(shadow frame)(25)이 장착되어 있다. 상기 섀도우 프레임(25)은 LCD 기판(20)과의 갭이 없도록 완전밀착되어 증착 또는 식각 공정시, 챔버(10) 내부의 플라즈마가 외부로 누출되지 않도록 하며 아울러, LCD 기판(20)의 전면에 대하여 균일하게 증착 또는 식각되도록 플라즈마를 집중시키는 역할을 한다.
따라서, 상기 섀도우 프레임(25)은 뒤틀림없이 항상 LCD 기판(20)의 정확한 위치에 배치되어야 하며, 섀도우 프레임(25)이 움직이지 않도록 고정시키는 얼라인 핀(24)이 요구된다.
상기 얼라인 핀(24)은 상기 하부전극(22)에 형성된 홀에 박아서 고정된 것으로, 섀도우 프레임(25)에 형성된 얼라인 핀홀(28)에 끼워서 섀도우 프레임(25)의 틀어짐을 방지한다. 상기 하부전극(22)과 얼라인 핀(24)은 서로 다른 재질로서, 하부전극(22)은 Al+Al2O3를 사용하여 제작하고, 상기 얼라인 핀(24)은 세라믹(ceramic)을 사용하여 제작한다. 따라서, 고온공정시, 하부전극(22)의 열팽창에 의해 하부전극(22)보다 열팽창계수가 작은 얼라인 핀(24)의 위치가 틀어질 수 있다.
상기 얼라인 핀(24)은 도 2a에서와 같이, 총 4개로 하부전극 모서리의 센터(center)에 형성되어 있고, 상기 얼라인 핀홀(28)은 도2b에서와 같이, 상기 얼라인 핀에 대응되는 위치의 섀도우 프레임(25)에 형성되어 있다.
도 1의 미설명 부호인 "26"은 LCD 기판(20)을 하부전극(22)에 로딩시킬 때, 정확하게 얼라인 시키기 위해 요구되는 애로우 핀(Arrow Pin)을 말하고, "27"은 하부전극(22) 및 LCD 기판(20)을 상승시키기 위한 리프트 핀(미도시) 등의 핀이 장착된 핀 플레이트(Pin Plate)를 말한다.
그리고, 도 2a의 미설명 부호인 "26a"는 상기 핀 플레이트(27)에 장착된 애로우 핀(26)이 끼워지는 애로우 핀홀을 말하며, 점선은 하부전극(22) 상에 로딩될 LCD 기판의 크기를 나타낸 것이다.
이러한 플라즈마 장치를 이용한 공정은 기판의 로딩시부터 언로딩시까지 하부전극의 상하 움직임에 의해 이루어지는데, 그 동작과정을 살펴보면 먼저, 도 3a에서와 같이, 피증착용 또는 피식각용 LCD 기판(20)을 챔버(10) 내의 하부전극(22) 상면에 로딩시키고 애로우 핀(26)을 이용하여 정확한 위치에 배치한다.
다음, 도 3b에서와 같이, 리프트 핀 또는 에어 실린더(30) 등을 이용하여 하부전극(22)을 플로팅시킨다. 이 때, LCD 기판(20)이 섀도우 프레임(25)과 클램핑되어 밀착될 때까지 상승시키며, 얼라인 핀(24)이 섀도우 프레임(25)의 얼라인 핀홀(28)에 끼워지도록 하여 섀도우 프레임(25)을 고정시켜 틀어지지 않도록 한다.
그리고, 챔버(10)의 압력 상태를 특정 고진공 상태로 전환한 뒤, 가스공급부(11)에서 가스를 공급하고, 상부전극(21)과 하부전극(22) 사이에 전기장이 형성되도록 고주파전원(19)으로부터의 전력을 선택적으로 인가한다.(도 1 참고)
그 다음, 방출된 자유전자는 전기장에 의해 운동에너지를 얻어 가속된 후 챔버(10) 내의 가스와 충돌하여 가스에 에너지를 전달하며, 에너지를 전달받은 가스는 이온화되어 이온들을 형성한다. 그리고, 상기 이온들은 전기장에 의해 운동에너지를 얻어 가속된 후, 가스에 에너지를 전달하여 또다른 이온들을 형성한다. 이와같은 일련의 과정이 반복됨에 따라 챔버 내부에는 양이온, 음이온, 라디칼 등이 공존하는 플라즈마 상태가 된다.
플라즈마를 이용한 공정이 끝난 후에는 도 3c에서와 같이, 에어 실린더(30)를 이용하여 하부전극(22)을 하강시키고, 챔버(10) 내의 가스를 가스배출부(도 1의 "12")를 통하여 외부로 배기시킨 뒤, LCD 기판(20)을 외부로 반출한다.
그러나, 섀도우 프레임을 고정하기 위해 얼라인 핀을 얼라인 핀홀에 끼워 틀어짐을 방지하였으나, 도 4a 및 도 4b에서와 같이, 고온 및 잦은 섀도우 프레임(25)과의 부딪침에 의해 하부전극(22)에 박힌 얼라인 핀(24)이 뒤틀리거나 빠지거나 부러지는 문제점이 있었고, 챔버 내의 온도가 상승할 경우, 하부전극(22)이 열팽창하여 얼라인 핀홀(28)의 위치가 초기 위치로부터 옮겨져 섀도우 프레임(25)이 잘못 로딩되기도 하였다.
도 4a는 얼라인 핀(24)이 뒤틀릴 경우를 나타낸 도면이고, 도 4b는 섀도우 프레임(25)이 잘못 로딩된 경우를 나타낸 도면이다.
이 경우, 섀도우 프레임이 틀어져 플라즈마가 외부로 누출되고 이로 인해, 실제 반응에 참여하는 플라즈마의 양이 적어져 LCD 기판 전면에 대한 식각 또는 증착 균일도가 떨어지게 된다.
또한, 얼라인 핀을 통한 섀도우 프레임의 고정 방법이 영구적인 방법이 아니기 때문에 PM(Preventation Maintenance)시마다 하부전극에 박힌 얼라인 핀을 관리해야 하는 번거로움이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 얼라인 핀을 섀도우 프레임과 일체형으로 제작하여 얼라인 핀의 틀림 및 부러짐에 의한 섀도우 프레임의 틀어짐을 방지하는 플라즈마 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 플라즈마 장치는 플라즈마를 이용한 공정이 수행되는 챔버와, 상기 챔버의 하측에 장착되어 기판이 로딩되는 하부전극과, 상기 기판의 에지면에 밀착되어 플라즈마 누설을 방지하는 섀도우 프레임과, 상기 챔버의 상측에 장착되어 상기 하부전극과 대향하는 상부전극과, 상기 상부전극 또는 하부전극에 선택적으로 연결된 고주파전원이 구비된 플라즈마 장치에 있어서, 상기 섀도우 프레임과 일체형으로 그 배면에 형성된 섀도우 프레임 고정용 얼라인 핀과, 상기 얼라인 핀에 대응하는 위치에서 타원형태로 형성되는 얼라인 핀홀을 포함하는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 의한 플라즈마 장치는 하부전극에 얼라인 핀홀을 형성하고 섀도우 프레임과 동일 재질로 제작된 얼라인 핀을 고정하여 얼라인 핀의 틀림 및 부러짐에 의한 섀도우 프레임의 틀어짐을 방지하는 것을 특징으로 한다. 이 때, 열팽창에 의한 얼라인 핀의 위치변동에 대비해 얼라인 핀홀은 타원형으로 형성한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 플라즈마 장치를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명에 의한 플라즈마 장치의 구성도이고, 도 6a 및 6b는 본 발명에 의한 플라즈마 장치의 평면도이며, 도 7a 내지 도 7c는 본 발명에 의한 플라즈마 장치의 동작 과정을 나타낸 단면도이다.
도 5에서 종래의 도면에 도시된 구성요소와 동일, 유사한 요소에 대해서는 동일, 유사한 부호를 부여한다.
본 발명에 의한 플라즈마 장치는 도 5에서와 같이, 소정의 공간이 형성되어 플라즈마를 이용한 건식식각공정, 증착공정 등이 수행되는 챔버(110)에 다양한 구성요소를 구비하여 이루어지는데, 상기 챔버의 상측에는 가스를 공급하기 위한 가스공급부(G/I)(111)가 연결되어 있고, 하측에는 공정 후의 가스를 외부로 배출하는 가스배출부(G/O)(112)가 연결되어 있다.
그리고, 상기 챔버(110) 내의 상측 내부에는 상기 가스공급부(111)와 연결되어 가스공급부(111)로부터 인입된 가스를 챔버(110) 내부로 분사하는 가스공급수단(117)과, 가스가 챔버(110) 내로 안정적으로 인입될 수 있도록 다수의 분사공을 가지면서 애노드 전극으로서의 역할을 하는 상부전극(121)이 설치되어 있다.
또한, 상기 챔버(110)의 하측 내부에는 피식각용 또는 피증착용 LCD 기판(120)이 배치될 캐소드 전극 즉, 하부전극(122)과, 상기 하부전극(122)을 상,하부로 구동시키는 에어 실린더(130)와, LCD 기판(120)의 가장자리에 밀착되어 플라즈마 상태의 가스가 LCD 기판(120) 표면에 집중되게 하는 외에, LCD 기판(120)의 유동 및 이탈을 방지하는 섀도우 프레임(125)과, 상기 섀도우 프레임(125)과 동일 재질로 일체형으로 제작된 얼라인 핀(124)이 있다.
상기 섀도우 프레임(125)은 부도체의 재질로서, 바람직하게는 고강도의 세라믹을 재료로 한다. 세라믹과 같은 부도체의 재질로 된 섀도우 프레임(125)은 고주파 및 그에 따른 공정 분위기 하에서도 전혀 영향을 받지 않으며, 그 아래에 위치하는 하부전극(122)이 침식되는 것도 보호한다.
이 때, 상기 하부전극(122)엔 상기 얼라인 핀(124)과 대응하는 위치에 얼라인 핀홀(128)을 형성한 후, 섀도우 프레임(125)의 얼라인 핀(124)을 고정시켜 섀도우 프레임(125)이 정확한 위치에 배치되어 틀어지지 않도록 한다.
얼라인 핀(124)과 얼라인 핀홀(128a, 128b, 128c)은 도 6a 및 도 6b에서와 같이, 섀도우 프레임(125) 및 하부전극(122)의 모서리의 센터에 위치하도록 하며, LCD 기판과의 충돌을 피하기 위해 기판이 로딩되는 쪽에는 얼라인 핀 및 얼라인 핀홀을 제작하지 않는다.
더욱이, 상기 얼라인 핀홀(128a, 128b, 128c)은 하부전극의 열팽창을 고려하여 타원형으로 제작한다. 즉, 도 6b에서와 같이, 제 1 ,제 3 얼라인 핀홀(128a, 128c)은 y축 방향에 대해 열팽창하므로 y축이 장축인 타원형이 되도록 하고, 제 2 얼라인 핀홀(128b)은 x축 방향에 대해 열팽창하므로 x축이 장축인 타원형이 되도록 한다. 장축의 지름은 약 5mm 정도가 되도록 한다.
이와같이 구성된 플라즈마 장치는 다음과 같이 동작한다.
먼저, 도 7a에서와 같이, 로봇 암(robot arm)에 의해 챔버의 반입구로 LCD 기판(120)을 반입시켜 하부전극(122) 상면에 로딩하고, 도 7b에서와 같이, 에어 실린더(130)를 이용하여 하부전극(122)을 상부로 플로팅시켜 LCD 기판(120)의 에지면이 클램핑되도록 함으로써 섀도우 프레임(125)과 LCD 기판(120)을 완전 밀착시킨다. 이 때, 기판이 로딩되는 방향에서의 섀도우 프레임(125)의 배면에는 얼라인 핀(124)이 형성되어 있지 않는 것을 특징으로 한다.
다음, 가스공급부(111)를 통해 챔버(110) 내에 가스를 공급하고, 가스배출부(112)을 동작시켜 챔버 내를 진공배기하여 압력을 조절한 뒤, 상부전극(121)과 하부전극과(122)의 사이에 고주파전원(119)으로부터의 고주파전력을 인가하여 플라즈마를 발생시킨다.(도 5참고)
이후 플라즈마를 이용한 공정을 수행하는데, 섀도우 프레임(125)의 틀어짐이나 들림을 근본적으로 방지할 수 있으므로 플라즈마의 누설없이 공정이 가능하며, LCD 기판과 섀도우 프레임이 완전 밀착되므로 반응성 이온이 LCD 기판 표면으로 집중된다.
이후에는, 가스배출부를 통해 가스 및 생성물질을 배기하고, 도 7c에서와 같이, 플로팅된 하부전극(122)을 하부로 끌어내리고 LCD 기판(120)을 챔버(110) 내부로 반출한다.
이와 같은 본발명의 기술적 특징은 플라즈마 CVD 장치, 플라즈마 스퍼터링 장치, 플라즈마 식각장치 등 다양하게 적용가능하다.
상기와 같은 본 발명의 플라즈마 장치는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 섀도우 프레임과 얼라인 핀을 일체형으로 제작함으로써 열팽창 정도 차이에 의한 얼라인 핀의 틀어짐이나 부러짐이 방지되고 결국, 섀도우 프레임의 틀어짐이나 들림을 근본적으로 방지할 수 있다. 따라서, 플라즈마의 누설없이 공정이 가능하므로 기판 표면상의 플라즈마 밀도(plasma density)를 고밀도로 유지할 수 있어 균일성(uniformity) 및 수율이 향상된다.
둘째, PM 시마다 얼라인 핀을 특별히 점검할 필요가 없으므로 장비 가동율이 향상된다.
도 1은 종래 기술에 의한 플라즈마 장치의 구성도.
도 2a 및 도 2b는 종래 기술에 의한 플라즈마 장치의 평면도.
도 3a 내지 도 3c는 종래 기술에 의한 플라즈마 장치의 동작 과정을 나타낸 단면도.
도 4a 및 도 4b는 종래 플라즈마 장치의 문제점을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명에 의한 플라즈마 장치의 구성도.
도 6a 및 6b는 본 발명에 의한 플라즈마 장치의 평면도.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명에 의한 플라즈마 장치의 동작 과정을 나타낸 단면도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호설명
110 : 챔버 111 : 가스공급부
112 : 가스배출부 117 : 가스공급수단
119 : 고주파전원 120 : LCD 기판
121 : 상부전극 122 : 하부전극
124 : 얼라인 핀 125 : 섀도우 프레임
128 : 얼라인 핀홀 130 : 에어 실린더

Claims (9)

  1. 플라즈마를 이용한 공정이 수행되는 챔버와, 상기 챔버의 하측에 장착되어 기판이 로딩되는 하부전극과, 상기 기판의 에지면에 밀착되어 플라즈마 누설을 방지하는 섀도우 프레임과, 상기 챔버의 상측에 장착되어 상기 하부전극과 대향하는 상부전극과, 상기 상부전극 또는 하부전극에 선택적으로 연결된 고주파전원이 구비된 플라즈마 장치에 있어서,
    상기 섀도우 프레임과 일체형으로 그 배면에 형성된 섀도우 프레임 고정용 얼라인 핀;
    상기 얼라인 핀에 대응하는 위치에서 타원형태로 형성되는 얼라인 핀홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 얼라인 핀홀은 상기 하부전극에 제작된 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 얼라인 핀은 섀도우 프레임의 네 모서리 중 제1,제2,제3모서리의 센터에 위치하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 상기 섀도우 프레임의 제4모서리 쪽으로 반입 및 반출되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 얼라인 핀홀의 장축 방향은 상기 섀도우 프레임이 열팽창하는 방향인 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 얼라인 핀홀의 장축은 5mm인 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 섀도우 프레임은 세라믹 재질인 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 챔버에 가스를 공급하는 가스공급부와 가스를 반출하는 가스반출부가 더 구비된 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
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